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管道通风路基试验的探讨

文档作者: 王建良 黄波 牛富俊        文档来源: 1青海省公路建设管理局 2青海省公路科研勘测设计院 中科院寒区早区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室兰州
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青海交通科技2004-2 管道通风路基试脸的探讨 王建 良’ 黄 波, 牛 富 俊, (1青海省公路建设管理局西宁810008) (2青海省公路科研勘测设计院 (3 中 科 院 寒 区早区环境与工程研究所冻土工程国家重点实验室 兰州 西宁810008 摘要简要介绍了在214国道进行的多年冻土区管道通风路基试验工程的科研情况,并借鉴铁路通 风.路基试脸工程的监测资料,分析了管道通风对于强化路基稳定性的工程效果。 关键词公路冻土通风管路基 1 前言 影 响 冻土 地区路基稳定性的重要因素是路基温度 的变化。由于施工对原天然土体存在条件的改变,打 破了路基土体的平衡热状况,并将最终引发大量的路 基病害〔‘一’〕。青藏公路格尔木至拉萨段穿越633km 多 年冻土带,从“八五”改建以来,多年冻土段大量出现路 基沉陷和纵向裂缝病害闭。因此,路基设计、施工以及 运营期的维护、乃至改建工程必须遵循冻土处理的工 程原则。目前,对于多年冻土地区的路基工程主要采 取保护的原则(s)0 多 年 冻 土地区工程建设中保护冻土的工程措施有 许多种,其中之一是架空通风基础。通风基础在多年 冻土地区的应用十分普遍而又比较成熟(b),但对通风 路基的研究资料却十分有限,美国、俄罗斯冻土科学家 曾针对管道通风路基进行了试验研究〔,一‘飞,研究结果 表明工程效果良好。但在工程应用上目前还没有工程 先例。在我国,通风路基研究也十分有限,为研究管道 通风路基的工程效果及其在青藏铁路建设中的可行 性,牛富俊、喻文兵等曾针对性地开展了大型室内模型 试验研究和现场工程试验〔9-10),初步研究结果表明,通 风路基在工程应用中是可行的。但是目前完成的研究 工作主要针对铁路工程,而公路通风路基的研究还没 有资料可供参考。为此有必要针对青藏高原多年冻土 区公路工程开展通风路基的研究工作。 2 研究工作概况 2.1 214国道路基路面主要病害 214 沿 线 冻土类型大多为高温冻土,且地域分布相 对复杂。路基路面病害在高平原地带,一般在融土段路 基稳定,新修路面病害轻微;高温冻土段及冻土一融土 相间段病害相对严重,主要表现为沥青混凝土路面的横 向、纵向裂缝和水泥混凝土路面的横向裂缝及断板,纵 向裂缝严重的路段一般两侧发育积水坑或热融湖塘。 而在山岭地带,一般越岭地段病害相对轻微,但斜坡湿 地冻土段尤其是低缓斜坡湿地段病害相对严重,主要表 现为沥青混凝土路面段的路基翻浆、路肩沉陷、开裂等。 2.2 管道通风路基试验工程简介 由于 多 年 冻土与路基路面病害关系密切,2003年 基于“多年冻土区公路病害和机理的研究”课题,依托 214国道姜路岭至清水河段改建工程,实施了纵向通 风试验工程,试验研究的目的在于分析该措施的可行 性和使用条件。截至2003年10月,试验路段全部完 成并进入正常监测。 试验 工 程 保护多年冻土的原理为:通过在路基坡 脚处设置纵向通风管,该通风管具有向进口倾斜的坡 度,其一端接有竖向通道(“烟囱”),使冷空气进人通风 管后,在流通过程中周围土体加热空气,使土体的温度 降低,从而达到保护其下冻土的效果。 试验 工 程 中设置的通风管为直径30cm的钢管,设 图1 通风路基试验段试验监测布设图 王建良等管道通风路基试验的探讨 置在公路里程K417段路基坡脚与保温护道结合部靠 近路基一侧。共设计了3个监测段(通风管试验段监 测详细布设情况见图1), A段 : 通 风管管径 0.3m,管长 lOm ,在通风管下外 壁沿通风管布设温度监测点,并在两端距管口1.5m 处布设深度为5m的测温孔,管正中布设15m的测温 孔。此外,在通风管中设置测温探头。 B段 : 通 风管管径0.3m,管长 15m,其余同A段。 A, B段 之 间设置一段长 15m的对比段(C段),监 测内容包括路基中心、路肩、坡脚及天然地温,深度 15m. 除 了以 上 观测内容外,沿着通风管壁布设了管内 气温监测探头,在通风管下部等间距布设了浅地层测 温探头。 施工 时 在 路基填筑完毕、填筑保温护道时,在保温 护道填筑至0.3m高度后将通风管沿路基纵向设置在 路基边坡与护道填筑面相交处,并在管下及管中布置 好测温探头,之后继续护道填土施工。 2.3 管道通风路基试验研究的内容 通过 实 体 试验工程的地温监测,分析和确定纵向 通风管的最佳埋设位置、管体的长一径比、竖向段的合 理长度以及通风管对于强化路基稳定性、保护下伏多 年冻土的作用等,结合横向通风路基的试验研究成果, 对通风路基的工程效果做出综合评价,为工程应用提 供理论依据和技术参考。 3 通风路基对于保护多年冻土的工程效果初步分析 214 线 通 风路基试验工程由于施工较晚,目前取 得的资料尚无法完整地分析其工程效果,为初步分析 通风路基的工程效果,暂时可以借鉴在青藏铁路多年 冻土地区开展的铁路通风路基的试验结果,虽然铁路 和公路路基路面结构有所不同,但由于试验原理和结 构类似,其结果对于公路路基有一定的参考价值。 3.1 通风管对于路基填土的降温效果 周期内都将其周边土体温度降低到了0℃以下。管下 0.5m处的土温体现了相同的变化趋势,这种温度特征 有利于其下冻土的保护。与此同时,无特殊措施的一 般填土路基相应高度的年平均地温为接近0℃的正 值,即处于融化状态,显然不利于其下冻土的保护。 3.2 通风管对于路基下伏多年冻土热收支的影响 表 1为 经 过计算得到的进人2.5一3.0m 深度冻土 中的热流量。数据表明,试验段天然地表条件下多年 冻土的吸热大于放热,但热流量正负基本平衡,而路基 下多年冻土的热收支却存在着极大的差异。各断面在 施工后的第一个冻融循环周期内都处于吸热过程,在 第二个周期虽然吸热量有所减少,但对比断面在施工 2年后仍处于吸热过程,这种热量变化过程导致了上 述多年冻土的整体升温;而设置了通风管的断面在第 二个冻融循环周期内已经开始出现放热,表明通风管 开始起到降温、散热的作用,显示了通风路基对于下伏 多年冻土的保护作用。 通风 路 基 对 于 下 伏 多 年 冻 土 热收 支 的 影 响 ( ik ,m -z ) 表 1 试验监测断面冻融周期热量变化天然孔中心孔 对比断面 直径30cm 通风管段 直径40cm 通风管段 No.1 No.1 No. 2 No.1 No.2 吸热 放热 吸热 放热 吸热 放热 吸热 放热 吸热 放热 17104 一8922 19953 一20211 18836 一18743 23839 一20997 21796 一18342 15923 0 44919 0 9834 一6282 18426 0 4404 一2390 管径30em断面管径40em断面对比断面 监测断面 。-O.5 -I-l.5 -2 都 ︿护︶侧照刃价珍 图 2 有 无 通 风 管 在 施 工 后 第 二 个 周期 对 于 路 基 填 土 温 度 的 影 响 青 藏 铁路 通风管试验路基中的通风管垂直于路基 走向布设,因此其首先调节的对象为管体周围的填土。 图2为青藏铁路试验路基通风管对于填土温度的影 响,该图表明,埋设通风管在施工后的第2个冻融循环 4 结论 (1) 21 4国 道路基路面病害与多年冻土关系密切, 有必要进行保护冻土的工程措施效果研究,为此在 K417段布设了平行于线路走向的管道通风路基试验 段。 (2) 根 据 已有的研究资料,类似结构的通风路基在 降低土体温度、保护多年冻土方面具有良好的工程效 果。 (3) 通 风 管垂直于线路走向的铁路通风路基试验 工程结果表明,通风路基土体温度显著低于一般填土 路基,且其下伏多年冻土在第二个冻融循环周期内开 始出现放热现象,从本质上表明了通风管对于强化路 基稳定性、保护多年冻土的工程作用。 参 考 文 献 1 吴青柏,施斌,刘永智.青藏公路沿线多年冻土与公 路相 互 作 用研究.中国科学(D集),2002,32(6):514 一5 20 . (下转第43页) 标准分享网 www.bzfxw.com 免费下载 www.bzfxw.com 青海交通科技2004-2 但必须是科学合理的工作。德国的收费方式、对象、时 间、价格标准是在对居民的出行时间、地点、距离、交通 量等基础资料进行大量的统计分析后并结合公交系 统、私营车、私家车的交通量分配调研的基础上制定出 来的。收费公路采用GPS卫星定位收费系统监控收 费(对12t以上卡车跟踪监测收费),不设收费站,但对 私人投资的隧道设收费站进行收费。 目前 ,联 邦德国发展收费公路正在呈上升趋势。 即通过收费竞争,不同运输方式的竞争(如:铁路和公 路之间竞争),广泛应用电子收费系统(卫星定位系 统),预计每年将计划收到28亿欧元,减除成本后全部 投人到公路基础设施建设中去。在收费公路的投资 中,主要依靠私营公司和政府建立合作伙伴关系共同 投资。德国今后的收费公路在收费形式上更简便,采 用先注册登记再使用收费系统,准备在2008年建成并 设立收费公路对收费系统、付费人、收费上交等事项进 行监管。达到收费系统网络化,缴费形式多样化(包括 信用卡、燃油专用卡、支付现金等)。真正发挥出收费 项目的筹资作用,并形成投资— 收费— 再投资的 良性循环轨道。 3 德国客货运输 由于 德 国 公路基础设施发展较快,相对客货运输 业也很发达。德国每个城市的公交系统主要由股份 (或混合)制公司投资并提供优质的运营服务。公路货 运也大都是私营企业提供运输服务。客运、货运价格 略低于铁路并形成竞争性。客、货运输都具备中级企 业规模,形成网络服务,多元化服务等。客、货站场,候 车、装卸、维修等设备一流,形成吃住行等多元化服务 格局。但是建设和运输的矛盾在德国同样存在。如: 德国汉堡港年吞吐量约1亿吨,怎样及时中转(提高集 散能力),降低物流成本,结论是修建更多更好的高速 公路来满足运量运力增长需求。 4 体会与思考 (1) 公 路 建设投资主体多元化。既有政府补助,又 有专门银行投资,既有私营企业投资,又有公众股票投 资,再加上BOT形式、转让公路经营权等,形式多样。 投资结构科学合理,降低了投资风险,加快了公路建设 发展。而我国公路建设资金主要采用以国家投资和以 国内银行贷款及地方自筹资金为主,利用国际金融组 织和外国政府贷款为辅的资金结构方式。面临公路建 设巨大的资金需求,这种主要通过扩大信贷规模等方 式的资金结构方式,具有一定的单一性和局限性。所 以采取多渠道融资方式是公路建设发展的必然趋势。 多渠道融资中一个主要来源就是引人民营资本,公众 投资,采用民营资本投资公路建设项目,既可解决国家 资金短缺的问题,又改善了社会的基础设施,也让投资 者得到了合理的回报。 (2) 加 快 收费公路的建设和发展。今后相当长时 期内我国的公路建设任务依然十分繁重,“贷款修路, 收费还贷”政策仍将是我们筹集公路建设资金的重要 渠道之一。目前我国收费公路还存在一些问题:规模 大、里程长、标准高、违规转让收费权等,再加上收费公 路积淀的债务逐年增多,偿还本息压力大,超限运输久 治不愈等,这些问题还要在收费公路发展中得到解决。 国外对收费公路决策前的调研、分析、协调收费者与被 收费者之间的利益关系,以及收费形式,设置先进的收 费系统等值得我们借鉴。 (3) 公 路 建设是手段,发展运输是目的。目前我国 的道路运输落后于公路建设,还存在政府对企业的服 务不到位,企业对客户的服务不到位,现代物流发展缓 慢,运输成本高,效率低,站场设施分布不均,设施陈 旧,功能不全,管理落后,货车超载,客车超员等问题。 所以提高公路交通服务能力及运输市场规范化管理仍 是今后我国公路运输的主要工作。我们要建立健全并 完善交通运输客货供需信息网络,运用现代化信息技 术掌握和提供能源、原材料、外贸进出口以及农业生产 资料,城市居民生活物资的运输情况信息,及时为运输 企业提供相关信息,搞好服务。还要加大运力结构调 整,推进车辆大型化、专业化、箱式(集装箱)化、经营集 约化和管理现代化,加快运输业发展,降低运输成本。 ~卜.州卜~十,,卜一州卜.州卜.叫卜一卜”十”州卜.州卜一~卜”刁巨.十”刊卜.州卜.叫卜一卜.喇卜一卜.冲一一卜”十.神一.州卜一十翻琦~一卜.州卜翻闷卜.州卜.月卜一卜”干勺叫卜刊卜一卜.十“叫卜一州卜一十。州卜“叫卜.刊卜一卜”+ .州卜.州卜.叫卜.一卜翻,卜. (上接第38页) 2 盛煌,刘永智,张建明等.青藏公路多年冻土路基内 的热 状 况 .自然科学进展,2002,12(8):893- 8 44. 3 王绍令,赵琳,李述训等.青藏公路多年冻土沥青路 面热 量 平 衡及路基稳定性研究.冰川冻土,2001,23 (2 ): 11 1一118. 4 窦明健,胡长顺,何子文等.青藏公路多年冻土段路 基病 害 分 布规律.冰川冻土,2002,24(6):780-7 84. 5 窦明建,胡长顺.多年冻土地区路基设计原则及其 应用 .冰 川冻土,2001,23(4):402- 406. 6 黑龙江省寒地建筑科学研究院.中华人民共和国行 业标 准 .冻土地区建筑地基基础设计规范.北京:中 国建 筑 工 业出版社,1998,29- 30. 7 JohnP .Za rling,P.E.BillyC onnora ndD ouglusJ .Goefing .A i r d uctsy stemsfo rs tabilizationo verp ermafrosta rea. P roc eeding oft he4 th InternationalC onference on Pe rm afr ost.Fairbanks,1983,1463一1468 8 Kondratjav V G.Strengthening railroad roadbed bases con str uct edo ni cyp ermafrosts oils.Proceedingso f8 th Int ern ati onalC onferenceo nC oldR egionsE ngineering. Fa irb an ks,A SCE,1996,688一699. 9 牛富俊,程国栋,赖远明.青藏铁路通风路基模型试 验研 究 . 西安工程学院学报,2002,24(3):l一6. 10 喻文兵,赖远明,牛富俊等.多年冻土区铁路通风 路 基 室 内模型试验的温度场特征.冰川冻土, 200 2 ,24 (5):601一607.
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